April 19, 2009

CFD em Bioengenharia

As pessoas são tão diferentes por dentro quanto são por fora, tornando difícil predizer que tipo de cirurgia seria a mais adequada para cada paciente. Desde 2005, uma abordagem envolvendo alta tecnologia vem sendo usada pela Universidade de Stantford para predizer o sucesso (ou não) da cirurgia em determinado paciente.

Este método elimina as suposições sobre o sucesso de cirurgias cardiovasculares. Usando modelos matemáticos, os bioengenheiros constroem um modelo 3D personalizado do coração de cada paciente (incluindo sua respectiva doença cardiovascular) e, então, realizam uma cirurgia virtual neste modelo antes que isto seja feito efetivamente no paciente. O objetivo desta abordagem é realizar mais cirurgias com sucesso e eliminar as operações desnecessárias. Foto de uma paciente em um exame de ressonância magnética (autor Gaetan Lee).

A modelagem deve incorporar dados de imagens em um programa de visualização científica 3D que inclua também ferramentas cirúrgicas. Milhões de equações para representar o escoamento do sangue no corpo humano e a fisiologia individual do paciente são usadas para demonstrar o que pode ocorrer em várias situações "E se tentarmos isso...". A flexibilidade das veias e artérias também devem ser consideradas na modelagem.

Por exemplo, é possível verificar o sucesso de uma cirurgia para melhorar a irrigação de sangue nas pernas do paciente durante uma cirurgia. Com os modelos 3D das veias na perna, verifica-se quais seriam os possíveis caminhos (veias) para o sangue escoar até o local desejado. Por sua vez, os modelos matemáticos seriam capazes de predizer se, nas condições da cirurgia, as veias seriam capazes de suportar o fluxo de sangue ou arrebentariam. Neste último caso, obviamente a cirurgia não seria bem sucedida.

Ao final de 2006, pesquisadore do Instituto de Tecnologia da Georgia e da Universidade de Emory verificaram a aplicação destas técnicas em cirurgias pediátricas. Neste caso, toda a modelagem 3D (geometria) do coração do paciente vem de diversas imagens de ressonância magnética (IRM) obtidas durante o ciclo cardíaco.

Hoje em dia, o uso de CFD aplicado ao corpo humano de modo a avaliar melhor o seu funcionamento e predizer o sucesso de cirurgias já está sendo bem difundido.

Projeto de válvulas cardíacas mecânicas
Em outra linha de pesquisa, existe o projeto de válvulas artificiais para o coração usando CFD. A válvula cardíaca consiste de duas membranas (válvulas) que são livre para abrir e fechar conforme o sangue escoa para dentro e fora do coração durante o ciclo cardíaco. Para modelar esta interação fluido/estrutura, deve-se considerar algumas características fisiológicas de modo a acoplar o movimento de abertura e fechamento das válvulas de acordo com o escoamento do sangue. Diferente de aplicações de engenharia hidráulica, onde o escoamento é rápido o bastante para permanecer turbulento, a batida do coração promove uma mudança contínua na velocidade e direção do escoamento do sangue através da válvula. Foto abaixo de um coração artificial tirada por Green Flames.


Em sua maioria, o escoamento é ordenado e laminar exceto por um breve período de tempo próximo ao pico da sístole, onde o escoamento se torna caótico e turbulento. Justamente durante este curto período, os pesquisadores suspeitam que o ambiente se torne mais prejudicial aos elementos do sangue. Um grupo de pesquisa numérica do Instituto de Tecnologia da Georgia está desbravando o desenvolvimento e aplicação de modelos para turbulência capazes de captar de forma acurada esta transição contínua entre os comportamentos laminar e turbulento.

Links para os interessados e curiosos: Predizendo o sucesso nas cirurgias, CFD em válvulas cardíacas e CFD com IRM 4D. Mais alguns sites interessantes com informações sobre o assunto (contendo várias imagens e vídeos):
Um abraço e até mais!

5 comments:

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  2. Olá, Fábio.

    Sim, de fato ainda existem muitos ramos inexplorados fora da engenharia que podem usar CFD. Cabe a nós perceber a oportunidade e aplicar ao caso. E a área de ciências e saúde é um prato cheio!

    Já comentei aqui sobre as aplicações de CFD nos esportes. Veja o link:

    http://notasemcfd.blogspot.com/2007/12/cfd-em-esportes-o-campeo.html

    Obrigado pelo comentário!! Um abraço!

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  3. Ah legal!! Não havia lido ainda. Preciso futucar mais o blog nas horas vagas.

    Abraço

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  4. Com certeza, as aplicações de CFD vão bem além do campo (já não tão pequeno) da engenharia. Algumas áreas que eu acho que poderiam se beneficiar muito são a Astrofísica e a Geologia, mas devido à falta de capacidade de processamento não vejo muitas coisas nestas áreas. Porém, creio que no futuro estas e outras áreas poderão evoluir muito devido ao uso das técnicas de CFD.

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  5. Olá Fontana,

    Primeiramente agradeço o seu comentário. E, sim, vc tem razão! São várias as áreas que podem se beneficiar e evoluir bastante ao usar técnicas CFD.

    E vc citou justamente duas áreas que aplicam CFD em seu desenvolvimento.

    Na astrofísica CFD é aplicada a grandes escalas planetárias, enquanto que em geologia se aplica à evolução das placas tectônicas na terra e o escoamento em meios porosos em poços de petróleo. Este último um dos principais focos de pesquisa (e de maior nível de segurança) da Petrobras.

    Um abraço!

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